我们的大脑，也许是世界上最节能、最灵活、最强大的信息处理系统：它仅需少的可怜的能量消耗，就能在嘈杂环境中分辨微弱信号，在毫秒尺度上通过突触权重的细微调整实现学习，也能在混乱的外界条件下保持稳定工作。但我们的大脑也有一些短板，比如，一般人在计算速度及记忆稳定性上是远远不如电脑的。能否结合人脑与电脑的优点，实现1+1>2的优势互补呢？这个想法听起来更像是科幻电影中的景象，虽然目前有不少研究机构及企业在进行类似“脑机接口”的项目，但真正有突破性进展的寥寥无几。要让电子器件与生物组织“无缝融合”，在真实的三维环境中工作，仍是一个巨大的挑战。究其根源，传统晶体管是刚性、平面化、二维的，而生物组织则是柔性、不规则、三维流动的，二者在结构与物性上的差异难以弥合。

从生物启发材料到电子器件。图片来源：Nat. Rev. Mater. ^[1]

近日，香港大学张世明教授与剑桥大学George G. Malliaras教授等研究者合作在Science 杂志上发表论文，提出一种融合有机电子学、软物质以及电化学的新型三维水凝胶半导体体系。首先，利用可拉伸、多孔的次级水凝胶作为三维模板，引导导电水凝胶在其内部均匀组装以提升电子传输；同时通过调控网络成分与孔隙率，让离子能够在毫米尺度自由扩散；最终在保持材料柔软和生物相容性的同时，把水凝胶变成真正能“思考”的三维半导体。该工作被选为同期Science 杂志封面。

当期杂志封面——看起来像果冻的三维水凝胶晶体管。图片来源：Science

新型三维水凝胶晶体管与传统的有机电化学晶体管相似，都依赖离子在通道中穿梭来调控导电性。但不同的是，它不再使用纳米至微米厚度的薄膜半导体，而是使用柔软的三维水凝胶。正常情况下，离子需要进入材料内部才能调控电导，但当水凝胶变厚时，离子扩散会变得缓慢，使调控产生滞后性，器件开关性能急剧下降。因此，必须通过结构设计调控孔隙，构建连续的传输路径，提高离子在三维体积中的扩散效率。

三维水凝胶晶体管的设计策略。图片来源：Science

在水凝胶半导体中通常存在三种相：水相、凝胶相以及混合相。以PEDOT:PSS水凝胶为例，随着含量增加，体系黏度上升，凝胶网络更加完整；但在纯PEDOT:PSS水凝胶中，非导电网络可能阻断电子通路，限制整体导电性能。为此，研究者引入第二网络（如 PEGDA、PVA、PAAm 或 PAA），可以显著增强导电相的连续性，使材料形成贯通的PEDOT⁺导电网络，将电导率从0.9 S/cm提升至最高100 S/cm。通过这种相工程，材料的电子传输能力得到大幅优化，同时仍保持柔软性与机械稳定性。

三维水凝胶半导体的相工程。图片来源：Science

为进一步调控水凝胶的孔隙结构，研究者采用了多种策略：（i）调节构成水凝胶的各组分浓度；（ii）改变交联剂浓度来调控交联密度；（iii）在水凝胶形成后，通过溶剂置换构建微孔。随着孔隙率从 5% 增至 90%，凝胶的膨胀比可由 50% 提升至 500%，并保持良好的可逆性。进一步测试显示：孔隙率越高，电子导电性下降，但离子导电性显著提升，两者呈此消彼长的关系。最终发现材料存在一个最佳孔隙率区间，在此范围内离子与电子传输达到平衡，使器件获得高达10⁴开关比，性能媲美先进的有机电化学晶体管（OECT）器件。

三维水凝胶半导体的结构工程。图片来源：Science

基于三维水凝胶半导体构建的晶体管，从50 μm到1 mm的厚度范围内，其性能都远优于同厚度的传统薄膜器件。即便通道厚度高达1 mm，开关比仍保持在约10⁴，较常规OECT提高三个数量级。传统薄膜在厚度超过约10 μm后常出现调制能力急剧衰减的问题，而水凝胶半导体在毫米尺度上仍维持厚度与体积电容的线性关系，意味着离子能够真正渗透整个体积，实现完整的三维调制。

三维水凝胶晶体管的电学性能。图片来源：Science

三维水凝胶半导体还具备低成本、可大规模制备等优势，所需材料只需在一步中完成预混，再经过简单的交联过程即可形成三维水凝胶半导体。通过批量化工艺，可制备厚度从微米到毫米范围的结构，并同时保持优异的半导体性能与良好的机械可拉伸性。

水凝胶半导体可拉伸性与晶体管的转移特性曲线。图片来源：Science

研究者将这些三维半导体进一步加工成可自支撑的水凝胶纤维，用于构建类脑的三维神经形态电路，并组装成互相穿插的三维水凝胶晶体管阵列，实现数据计算与分析。在MNIST手写数字识别任务中，三维器件取得91.93%的准确率，可与传统神经网络相媲美，即使在30%的大形变下仍保持稳定性能。此外，这类三维器件还能与细胞、类器官进行双向交互，为未来三维生物电子学、软体智能和类脑计算开启全新的可能。

三维水凝胶半导体构建三维集成神经形态网络。图片来源：Science

“随着有机生物电子学的发展，研究者越来越关注如何制备具有良好性能的可拉伸半导体”，Science杂志编辑Marc S. Lavine总结道，“这种三维的、厚度达毫米级、且可嵌入细胞的半导体水凝胶纤维，可用于模拟大脑中真实的神经连接，构建彼此交织的晶体管，重新定义技术与生命之间的边界”。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels

Dingyao Liu, Jing Bai, Xinyu Tian, Yan Wang, Binbin Cui, Shilei Dai, Wensheng Lin, Zhuowen Shen, Chun Kit Lai, George G. Malliaras, Shiming Zhang

Science 2025, 390, 824-830. DOI: 10.1126/science.adx4514

参考文献：

[1] P. Gkoupidenis, et al. Organic mixed conductors for bioinspired electronics. Nat. Rev. Mater. 2024, 9, 134-149. DOI: 10.1038/s41578-023-00622-5

（本文由小希供稿）